Ядерная электрическая ракета ( точнее ядерная электрическая тяга ) — это тип двигательной установки космического корабля , в которой тепловая энергия ядерного реактора преобразуется в электрическую энергию , которая используется для приведения в действие ионного двигателя или другой электрической двигательной технологии космического корабля. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Терминология ядерной электрической ракеты немного непоследовательна, поскольку технически « ракетная » часть двигательной установки не является ядерной и также может приводиться в действие солнечными батареями . Это контрастирует с ядерной тепловой ракетой , которая напрямую использует тепло реактора для добавления энергии к рабочему телу , которое затем выбрасывается из сопла ракеты.
Ключевыми элементами НЭП являются:
В статье 1963 года Майрона Левоя была предложена гибридная конструкция ядерно-электрического двигателя, которая могла бы работать как в режиме открытого цикла как ядерный тепловой двигатель во время фаз миссии, требующих высокой тяги, так и в режиме замкнутого цикла как ядерно-электрический двигатель с низкой тягой, но высокой эффективностью во время оставшихся фаз миссии. Предложенное применение этой конструкции двигателя было для быстрой миссии с экипажем туда и обратно на Марс . [9]
В 2001 году разрабатывался безопасный доступный двигатель деления с испытанным ядерным источником тепла мощностью 30 кВт, который должен был привести к разработке теплового реактора мощностью 400 кВт с газовыми турбинами цикла Брайтона для производства электроэнергии. Отвод отработанного тепла предполагалось осуществлять с помощью технологии маломассивных тепловых труб . Безопасность предполагалось обеспечить за счет прочной конструкции. [ необходима цитата ]
Проект «Прометей» был исследованием НАСА начала 2000-х годов по созданию ядерного электрического космического корабля. [ необходима ссылка ]
Kilopower — это последняя программа разработки реактора NASA, но она предназначена только для использования на поверхности. [ необходима цитата ]
Проект TEM стартовал в 2009 году с целью создания двигателя для полета на Марс.
Март 2016 г. – Получена первая партия ядерного топлива [ требуется ссылка ]
Реактор с шаровыми твёрдыми твёрдыми телами , использующий газообразный азотный теплоноситель с высоким массовым расходом при давлении, близком к нормальному атмосферному, является возможным источником тепла. Генерация электроэнергии может осуществляться с помощью газотурбинной технологии, которая хорошо развита. Ядерным топливом будет высокообогащённый уран, инкапсулированный в графитовые шарики с низким содержанием бора, вероятно, диаметром 5–10 см. Графит также будет сдерживать нейтроны ядерной реакции.
Этот тип реактора может быть спроектирован так, чтобы быть изначально безопасным. При нагревании графит расширяется, разделяя топливо и снижая критичность реактора. Это свойство может упростить управление работой до одного клапана, дросселирующего турбину. В закрытом состоянии реактор нагревается, но вырабатывает меньше энергии. В открытом состоянии реактор охлаждается, но становится более критичным и вырабатывает больше энергии.
Графитовая капсула упрощает заправку и обращение с отходами. Графит механически прочен и выдерживает высокие температуры. Это снижает риск незапланированного выброса радиоактивных элементов, включая продукты деления . Поскольку этот тип реактора вырабатывает большую мощность без тяжелых отливок для сдерживания высокого давления, он хорошо подходит для питания космических аппаратов. [10]
Различные технологии электродвижения были предложены для использования с мощными ядерными электрогенерирующими системами, включая VASIMR , DS4G и импульсный индуктивный двигатель (PIT). PIT и VASIMR уникальны в своей способности обмениваться между потреблением энергии, удельным импульсом (мерой эффективности, см. удельный импульс ) и тягой в полете. PIT имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что не нуждается в кондиционированной мощности. [ необходима цитата ]
Было предложено несколько схем преобразования тепла в электричество. В ближайшей перспективе генераторы на основе цикла Ренкина , цикла Брайтона и цикла Стирлинга проходят промежуточную механическую фазу с сопутствующими потерями энергии. Также были предложены более экзотические технологии: термоэлектрические (включая преобразование тепловой энергии на основе графена [11] [12] [13] ), пироэлектрические , термофотоэлектрические , термоионные и магнитогидродинамические термоэлектрические материалы .
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы , радиоизотопные нагревательные устройства , радиоизотопные пьезоэлектрические генераторы и радиоизотопная ракета — все они используют тепло от статического радиоактивного источника (обычно плутоний-238 ) для низкого уровня электрической или прямой тяговой мощности. Другие концепции включают ядерную термическую ракету , ракету на осколках деления, ядерный импульсный двигатель и возможность термоядерной ракеты , предполагая, что технология термоядерного синтеза будет разработана в какой-то момент в ближайшем будущем. [ требуется ссылка ]